船舶工程材料2010.4.20.ppt

1、工程材料,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,（1）鋼實際加熱時的轉(zhuǎn)變點 鋼的鍛造和熱處理都離不開鋼的加熱過程，在加熱過程中的組織轉(zhuǎn)變對冷卻后組織和性能都有重要的影響。 要將鋼加熱到Fe-Fe3C平衡相圖中的PSK、GS、ES線以上才能得到單相的奧氏體組織。 但是加熱過程是連續(xù)的，有一定的速度，所以與平衡過程相比總有不同程度的滯后。,工程材料,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,Fe-Fe3C平衡相圖中的PSK、GS、ES線對應(yīng)的臨界溫度線一般用A1、A3、ACM表示，實際加熱時則用AC1、AC3、ACCM表示。同理，冷卻時的則用Ar1、Ar3、ArCM表示。,加熱或冷卻速度越快，臨界溫度與實際溫度差值越大，稱

2、之為過熱度或過冷度。,工程材料,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,（2）奧氏體的形成過程 把共析鋼加熱到Ac1以上的溫度，就發(fā)生珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變，分為形核、長大和成分均勻化過程。 （1）奧氏體優(yōu)先在F和滲碳體的相界面形核； （2）珠光體中的F繼續(xù)向A轉(zhuǎn)變，其中滲碳體溶入A。A向F和P中長大。并且通過碳原子的擴散保證A穩(wěn)定存在的碳濃度；,工程材料,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,（3） F全部轉(zhuǎn)化成A后仍有一部分Fe3C未溶解。隨保溫時間的延長，F(xiàn)e3C不斷溶入A； （4） 殘余Fe3C全部溶入A后，碳濃度不均勻，需要保溫一段時間通過碳原子的充分擴散達到成分均勻。,工程材料,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,對于亞共析鋼或過共析鋼加熱到A

3、c1以上時，原始組織中的珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體，而先析鐵素體或先析Fe3C尚未完全溶解。只有進一步加熱到Ac3或AcCM以上保溫足夠時間，才能獲得均勻的單相奧氏體。,工程材料,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,奧氏體形成的影響因素： （a）加熱溫度和加熱速度 提高加熱溫度會加速奧氏體的形成，這是由于溫度提高使碳原子的擴散能力加強。加熱速度的增大，可使轉(zhuǎn)變終了溫度提高和轉(zhuǎn)變溫度范圍擴大，并縮短奧氏體的形成時間。,工程材料,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,（b）原始組織 原始組織中珠光體越細，奧氏體形成速度越快。這是由于珠光體越細，其內(nèi)部F和Fe3C的相界面就越多，有利于奧氏體晶核的形成。球狀珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的速度要慢于片狀珠光

4、體。,（c）合金元素 大部分合金元素加入鋼中，會減慢奧氏體的形成速度，但卻并不改變奧氏體形成的基本過程。,工程材料,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,（3）奧氏體晶粒長大及其影響因素 在臨界溫度以上奧氏體形成過程結(jié)束后，如繼續(xù)提高加熱溫度或在當前溫度下長時保溫，將會發(fā)生奧氏體晶粒長大的現(xiàn)象。鋼在加熱時所形成的奧氏體實際晶粒大小，對冷卻后的組織和性能有很大的影響。奧氏體晶粒過大，會使冷卻后的鋼材強度、塑性和韌性下降，尤其是塑性和韌性下降更為顯著。,工程材料,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,奧氏體晶粒尺寸和對冷卻后鋼的性能的影響根據(jù)Hell-Petch關(guān)系：組織越細小，性能越好。,工程材料,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,鋼的奧氏體晶粒度分

5、為8級，1級最粗，8級最細。將鋼制成金相樣品，放在100倍顯微鏡下與標準晶粒度等級圖進行比較定級。,工程材料,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,奧氏體晶粒度分為起始晶粒度、本質(zhì)晶粒度和實際晶粒度。 起始晶粒度： 是指加熱過程中，奧氏體化剛完成時的晶粒大小。一般來說，奧氏體的起始晶粒比較細小，但這種晶粒會隨加熱溫度升高或保溫時間延長而長大。,工程材料,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,本質(zhì)晶粒度： 不同牌號的鋼，其奧氏體晶粒的長大傾向是不同的。本質(zhì)晶粒度表示鋼的奧氏體晶粒在規(guī)定溫度下的長大傾向。通常采用標準(YB2777)試驗方法，把鋼加熱到（93010） C ，保溫38h后測定其奧氏體晶粒大小，晶粒度為14級的鋼稱為本質(zhì)粗晶

6、粒鋼，晶粒度為58級的鋼稱為本質(zhì)細晶粒鋼。,工程材料,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,加熱時鋼的晶粒長大傾向示意圖,工程材料,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,實際晶粒度 ：在具體加熱條件下得到的奧氏體晶粒大小。實際晶粒度直接影響鋼在冷卻后的組織和性能。,工程材料,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,奧氏體晶粒長大的影響因素 （a）奧氏體化溫度越高，保溫時間越長，晶粒長大越明顯，其中加熱溫度比保溫時間的影響大； （b）在一定范圍內(nèi)，奧氏體晶粒長大傾向與碳含量有關(guān)。因為C含量增加，C在A中的擴散速度也增加所致。但是當C超過一定值以后，形成過剩的二次Fe3C阻礙奧氏體晶粒長大；,工程材料,鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變,（c）合金元素的影響： 鋼中的合金元素

7、，凡是能形成穩(wěn)定碳化物的元素(如Cr、W、Mo、Nb、V、Zr、Ti)、形成氮化物的元素(如Al)，都會阻礙奧氏體晶粒長大，而Mn和P則加速奧氏體 晶粒長大。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,在鋼的熱處理中，冷卻是一道非常關(guān)鍵的工序。因為在加熱、保溫時得到的奧氏體，當以不同的冷卻條件冷卻下來時，會得到性能差異很大的各種組織。 只要選擇恰當?shù)睦鋮s方式，便可以獲得預(yù)期的組織和性能。因此，了解鋼在冷卻時組織轉(zhuǎn)變規(guī)律很重要。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,根據(jù)奧氏體冷卻方式的不同將冷卻過程分為等溫轉(zhuǎn)變（曲線中1）和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（曲線中2）。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變

8、曲線,共析鋼加熱到均勻奧氏體狀態(tài)后，如果冷卻到A1線以下在熱力學上是不穩(wěn)定的，在一定條件下要發(fā)生分解。 在A1以下存在且不穩(wěn)定的、將要發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變，就是將奧氏體迅速冷卻到低于A1的某一溫度，并保溫足夠時間。使奧氏體在該溫度下完成其組織轉(zhuǎn)變的過程。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線是表示過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的溫度、時間和轉(zhuǎn)變量三者之間的關(guān)系曲線圖。圍曲線的形狀與字母“C”相似，故稱C曲線，也稱 S 曲線或TTT圖。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,C曲線的建立,由于過冷奧氏體轉(zhuǎn)變過程中，在組織轉(zhuǎn)變的同時，伴隨產(chǎn)生熱效應(yīng)、硬度、比容和磁性等一系列

9、變化，所以測定C曲線有金相法、硬度法、磁性法、膨脹法等方法。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,（1）首先取一批試樣將其進行奧氏體化； （2）將其放置在低于A1的不同溫度的鹽浴中，隔一定時間拿出將其淬入水中； （3）測出試樣在各個等溫溫度（tx）奧氏體開始（ax）和轉(zhuǎn)變結(jié)束(bx)的時間；,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,將各等溫溫度的奧氏體開始轉(zhuǎn)變相轉(zhuǎn)變終了的時間點，描繪在以溫度為縱坐標、時間為橫坐標(以對數(shù)表示)的坐標圖上，并分別連線，即得到所要測定的C曲線。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,C曲線分析,（1）MS線和MF線是奧氏體向馬氏體開始轉(zhuǎn)變和轉(zhuǎn)變終了溫度。 A1的 MS之間轉(zhuǎn)變開始線以左的區(qū)域為

10、過冷奧氏體區(qū)。轉(zhuǎn)變終了線以右和MF點以下為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)。開始轉(zhuǎn)變和轉(zhuǎn)變終了線之間為轉(zhuǎn)變過渡區(qū)（過冷A與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共存區(qū)）。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,（2）轉(zhuǎn)變開始線與縱座標軸之間的距離稱為孕育期。孕育期愈長，過冷奧氏體愈穩(wěn)定，轉(zhuǎn)變期也愈長。孕育期最短處，過冷輿氏體最不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)變最快，這里稱為C曲線的“鼻尖”。對于碳鋼來說，“鼻尖”處的溫度一般為550C左右。 （3）過冷奧氏體在不同溫度下的產(chǎn)物不同。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,影響C曲線的因素,（1）碳含量的影響： 一般情況下，亞共析鋼C曲線隨碳增加右移，過共析鋼的C曲線隨碳含量增加左移。共析鋼中過冷A最穩(wěn)定。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,與

11、共析鋼的C曲線相比，亞共析鋼和過共析鋼的C曲線上部，還各多一條先共析相的析出線。因為在過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w之前，在亞共析鋼中要先析出鐵素體，在過共析鋼中要先析出滲碳體。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,（2）合金元素的影響： 除Co外，所有溶于奧氏體的合金元素都增加奧氏體的穩(wěn)定性，即使C曲線右移。 但是當合金元素未溶于奧氏體中，以碳化物的形式存在時，它們將降低奧氏體的穩(wěn)定性，即使C曲線左移。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,（3）加熱溫度和保溫時間的影響： 加熱至Ac1，以上溫度時，隨著奧氏體化溫度的提高和保溫時間的延長奧氏體的成分更加趨于均勻；未溶碳化物減??；晶粒長大，晶界面積減小。結(jié)果降低了過冷

12、奧氏體在冷卻轉(zhuǎn)變時分解的形核率，使奧氏體穩(wěn)定性增加，C曲線右移。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變過程及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,隨過冷度的不同，過冷奧氏體將發(fā)生三種基本類型的轉(zhuǎn)變，即珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變。以共析鋼為例進行說明。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,珠光體轉(zhuǎn)變,（1）珠光體轉(zhuǎn)變過程 過冷奧氏體在A1“鼻尖”（約550C）溫度范圍內(nèi)等溫將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織。因轉(zhuǎn)變溫度較高、鐵、碳原子的擴散都能夠比較充分地進行，使奧氏體能分解為成分、結(jié)構(gòu)都與之相差很大的滲碳體和鐵素體?？梢妸W氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變屬于擴散型相變。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,A轉(zhuǎn)變?yōu)镻的過程也是形核和長大的過程。當A

13、過冷到A1以下時，首先在A晶界處形成Fe3C晶核。通過擴散， Fe3C依靠其周圍的A不斷供應(yīng)碳原子而長大，因而引起Fe3C周圍的A含碳量不斷降低，從而為F形核創(chuàng)造了條件，使這部份A轉(zhuǎn)變?yōu)镕。由于F的溶碳能力低(0.022)，長大時必然要向側(cè)面的A中排擠出多余的碳，使相鄰的A碳含量增高，這又為產(chǎn)生新的Fe3C創(chuàng)造了條件。如此交替進行下去A就轉(zhuǎn)變成F和Fe3C片層相問的P組織。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,根據(jù)珠光體型組織片層間距大小分為珠光體a、索氏體b和托氏體c，皆為F和Fe3C片層相間的機械混合物，無本質(zhì)區(qū)別，只是片層厚度不同而已。轉(zhuǎn)變溫度越低，珠光體型組織的片層越薄，相界面越多，強度和硬度

14、越高，塑性及韌性也略有改善。,（2）珠光體組織形態(tài)與性能,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,貝氏體轉(zhuǎn)變,（1）貝氏體的轉(zhuǎn)變過程 貝氏體是過冷奧氏體在C曲線“鼻尖”(約550C)至M S之間溫度范圍的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物通常用符號B表示。過冷奧氏體在這一溫度區(qū)間轉(zhuǎn)變時，由于過冷度較大原子擴散能力下降，這時鐵原子已不能擴散，碳原子的擴散也不充分，因此，貝氏體轉(zhuǎn)變是半擴散型相變。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,當溫度較高(550350C)時，條狀或片狀鐵素體從奧氏體晶界開始向晶內(nèi)以同樣方向平行生長。隨著鐵素體的伸長和變寬，其中的碳原子向條間的奧氏體中富集，當碳濃度足夠高時，便在鐵素體條間斷續(xù)地析出滲碳體短棒，奧氏體

15、消失，形成典型的羽毛狀上貝氏體。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,溫度降低(350CMS)時，碳原子擴散能力更低，鐵索體在奧氏體的晶界或晶內(nèi)某些晶面上長成針狀，碳原子在鐵素體內(nèi)一定的晶面上以斷續(xù)碳化物小片的形式析出，從而形成了下貝體。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,（2）貝氏體的組織形態(tài)及性能 上貝氏體中短桿狀的滲碳體分布于自奧氏體晶界向晶內(nèi)生長的鐵素體條間，在光鏡下呈羽毛狀（左圖）。下貝氏體氏體中碳化物以小片狀分布于鐵素體針內(nèi)。在光學顯微鏡下下貝氏體呈黑針狀（右圖）。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,貝氏體組織的性能,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,馬氏體轉(zhuǎn)變,當奧氏體快速冷卻到MS點以下時（共析鋼 23

16、0 C），將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。 （1）馬氏體晶體結(jié)構(gòu)特點： 轉(zhuǎn)變在低溫下進行的，鐵、碳原子均不能擴散，轉(zhuǎn)變時只發(fā)生-晶格改組，而無成分的變化，即固溶在奧氏體中的碳，全部保留在晶格中，使-Fe超過其平衡含碳量。因此，馬氏體是碳在-Fe中的過飽和固溶體，用符號“M”表示。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,（2）馬氏體組織形態(tài)特點（板條和針狀）： 板條馬氏體的立體形態(tài)呈細長的扁棒狀，顯微組織表現(xiàn)為一束束的細條狀組織，每束內(nèi)的條與條之間尺寸大致相同并平行排列，一個奧氏體晶粒內(nèi)可以形成幾個取向不同的馬氏體束。馬氏體板條的亞結(jié)構(gòu)主要是高密度的位錯，因而又稱位錯馬氏體。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,針狀馬氏體的立

17、體形態(tài)呈雙凸透鏡的片狀，在光學顯微鏡下呈針狀形態(tài)。在透射電子顯微鏡下觀察表明，其亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶，故又稱孿晶馬氏體。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,馬氏體的形態(tài)主要取決于奧氏體的碳含量，當碳小于0.2時，組織中幾乎完全是板條狀馬氏體，當碳大于1.0時，則幾乎全部是針狀馬氏體，碳含量介于0.21.0之間時，為板條狀和針狀馬氏體的混合組織。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,（3）馬氏體的力學性能特點： 高硬度是馬氏體性能的主要特點，其強化機制為： （1）過飽和碳引起的晶格畸變，即固溶強化； （2）馬氏體轉(zhuǎn)變時造成的大量晶體缺陷(如位錯、孿晶等)和組織細化； （3）過飽和碳以彌散碳化物析出強化。 馬氏體板

18、條的亞結(jié)構(gòu)主要是高密度的位錯，因而又稱位錯馬氏體。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,馬氏體的硬度主要受碳含量的影響。隨碳含量增加，馬氏體的硬度隨之增高。當碳的質(zhì)量分數(shù)超過0.6以后，硬度的增加趨于平緩。合金元素對馬氏體的硬度影響不大。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,馬氏體的塑性和韌性主要取決于其內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)的形式和碳的過飽和度。高碳馬氏體的碳過飽和度大，晶格畸變嚴重，晶內(nèi)存在大量孿晶，且形成時相互接觸撞擊而易于產(chǎn)生顯微裂紋等原因，硬度雖高，但脆性大塑性、韌性均差。 低碳板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)是高密度位錯，碳的質(zhì)量分數(shù)低，形成溫度較高，會產(chǎn)生“自回火”現(xiàn)象，碳化物析出彌散均勻，因此在具有高強度的同時還具有良

19、好的塑性和韌性。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,（4）馬氏體的轉(zhuǎn)變特點： （a）無擴散性： 馬氏體轉(zhuǎn)變的過冷度極大轉(zhuǎn)變溫度低、鐵、碳原子的擴散都極其困難因此是非擴散型相變，轉(zhuǎn)變過程中沒有成分變化，馬氏體的碳含量與母相奧氏體的含碳量相同。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,（b）變溫形成： 馬氏體轉(zhuǎn)變有其開始轉(zhuǎn)變溫度(MS點)和轉(zhuǎn)變終了溫度(MF點)。當過冷奧氏體冷到MS點，即發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變量隨溫度的下降而不斷增加，一旦冷卻中斷，轉(zhuǎn)變便很快停止。隨后繼續(xù)冷卻，馬氏體可繼續(xù)形成。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,（c）高速長大： 馬氏體轉(zhuǎn)變沒有孕育期，形成速度極快瞬間形核，瞬間長大。馬氏體轉(zhuǎn)變量的增加，不

20、是靠原馬氏體片的繼續(xù)長大，而是靠馬氏體片的不斷形成。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,（d）馬氏體轉(zhuǎn)變的不完全性： 一般來說奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變是不完全的， 即使冷卻到MF點，也不可能獲得100的馬氏體，總有部份奧氏體未能轉(zhuǎn)變而殘留下來，這部分奧氏體稱為殘余奧氏體，用符號“A”表示。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,殘余奧氏體量主要與MS(或MF)點有關(guān)，MS點越低，殘余奧氏體量越多。而MS、MF點的溫度主要取決于奧氏體的碳碳含量及合金元素含量。因此淬火后殘余奧氏體量隨碳含量的增加而增加。,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,奧氏體碳含量對馬氏體轉(zhuǎn)變點和殘余奧氏體量的影響,工程材料,鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變,一般的淬火操作都是冷卻到室溫為止。由于碳含量0.5的碳鋼，MF點已在0C以下淬火后必然有較多的殘余奧氏體。高碳高合金鋼的MF點更低。殘余奧氏體的存在，一方面影響淬火鋼的硬度，另一方面它是一種亞穩(wěn)定組織，在時間延長或條